在Linux下如何写一个简单的驱动程序呢
一、简单的驱动程序实例
驱动文件hello.c
#include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/init.h> #include <linux/delay.h> #define HELLO_MAJOR 231 #define DEVICE_NAME "HelloModule" static int hello_open(struct inode *inode, struct file *file){ printk(KERN_EMERG "hello open.\n"); return 0; } static int hello_write(struct file *file, const char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos){ printk(KERN_EMERG "hello write.\n"); return 0; } static struct file_operations hello_flops = { .owner = THIS_MODULE, .open = hello_open, .write = hello_write, }; static int __init hello_init(void){ int ret; ret = register_chrdev(HELLO_MAJOR,DEVICE_NAME, &hello_flops); if (ret < 0) { printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " can't register major number.\n"); return ret; } printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " initialized.\n"); return 0; } static void __exit hello_exit(void){ unregister_chrdev(HELLO_MAJOR, DEVICE_NAME); printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " removed.\n"); } module_init(hello_init); module_exit(hello_exit); MODULE_LICENSE("GPL");
驱动文件主要包括函数hello_open、hello_write、hello_init、hello_exit,测试案例中并没有赋予驱动模块具有实际意义的功能,只是通过打印日志的方式告知控制台一些调试信息,这样我们就可以把握驱动程序的执行过程。
在使用printk打印的时候,在参数中加上了“KERN_EMERG”可以确保待打印信息输出到控制台上。由于printk打印分8个等级,等级高的被打印到控制台上,而等级低的却输出到日志文件中。
编译驱动所需的Makefile
ifneq ($(KERNELRELEASE),) MODULE_NAME = hellomodule $(MODULE_NAME)-objs := hello.o obj-m := $(MODULE_NAME).o else KERNEL_DIR = /lib/modules/`uname -r`/build MODULEDIR := $(shell pwd) .PHONY: modules default: modules modules: make -C $(KERNEL_DIR) M=$(MODULEDIR) modules clean distclean: rm -f *.o *.mod.c .*.*.cmd *.ko rm -rf .tmp_versions endif
编译驱动文件需要一个合适的makefile,因为编译驱动的时候需要知道内核头文件,编译规则等。
测试驱动的上层应用代码hellotest.c
#include <fcntl.h> #include <stdio.h> int main(void) { int fd; int val = 1; fd = open("/dev/hellodev", O_RDWR); if(fd < 0){ printf("can't open!\n"); } write(fd, &val, 4); return 0; }
上层测试案例中,首先打开设备文件,然后向设备中写入数据。如此,则会调用驱动中对应的xxx_open和xxx_write函数,通过驱动程序的打印信息可以判断是否真的如愿执行了对应的函数。
二、驱动实例测试
测试的方法整体来说就是,编译驱动和上层测试应用;加载驱动,通过上层应用调用驱动;最后,卸载驱动。
1、编译驱动
#make
make命令,直接调用Makefile编译hello.c,最后会生成“hellomodule.ko”。
2、编译上层应用
#gcc hellotest.c -o hellotest
通过这条命令,就能编译出一个上层应用hellotest。
3、加载驱动
#insmod hellomodule.ko
insmod加载驱动的时候,会调用函数hello_init(),打印的调试信息如下。
此外,在"/proc/devices"中可以看到已经加载的模块。
4、创建节点
虽然已经加载了驱动hellomodule.ko,而且在/proc/devices文件中也看到了已经加载的模块HelloModule,但是这个模块仍然不能被使用,因为在设备目录/dev目录下还没有它对应的设备文件。所以,需要创建一个设备节点。
#mknod /dev/hellodev c 231 0
在/proc/devices中看到HelloModule模块的主设备号为231,创建节点的时候就是将设备文件/dev/hellodev与主设备号建立连接。这样在应用程序操作文件/dev/hellodev的时候,就会定位到模块HelloModule。
/proc/devices 与 /dev的区别
- /proc/devices中的设备是驱动程序生成的,它可产生一个major供mknod作为参数。这个文件中的内容显示的是当前挂载在系统的模块。当加载驱动HelloModule的时候,并没有生成一个对应的设备文件来对这个设备进行抽象封装,以供上层应用访问。
- /dev下的设备是通过mknod加上去的,用户通过此设备名来访问驱动。我以为可以将/dev下的文件看做是硬件模块的一个抽象封装,Linux下所有的设备都以文件的形式进行封装。
5、上层应用调用驱动
#./hellotest
hellotest应用程序先打开文件“/dev/hellodev”,然后向此文件中写入一个变量val。期间会调用底层驱动中的hello_open和hello_write函数,hellotest的运行结果如下所示。
6、卸载驱动
#rmmod hellomodule
insmod卸载驱动的时候,会调用函数hello_exit(),打印的调试信息如下。
总结一个模块的操作流程:
(1)通过insmod命令注册module
(2)通过mknod命令在/dev目录下建立一个设备文件"xxx",并通过主设备号与module建立连接
(3)应用程序层通过设备文件/dev/xxx对底层module进行操作
三、驱动模板
从宏观上把握了驱动程序的框架,然后再从细节上完善驱动的功能,这是开发驱动程序的一般步骤。驱动模板必备要素有头文件、初始化函数、退出函数、版权信息,常用的扩展要素是增加一些功能函数完善底层驱动的功能。
1、头文件
#include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/init.h> #include <linux/delay.h>
init.h 定义了驱动的初始化和退出相关的函数
kernel.h 定义了经常用到的函数原型及宏定义
module.h 定义了内核模块相关的函数、变量及宏
2、初始化函数
static int __init hello_init(void){ int ret; ret = register_chrdev(HELLO_MAJOR,DEVICE_NAME,&hello_flops); if (ret < 0) { printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " can't register major number.\n"); return ret; } printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " initialized.\n"); return 0; } module_init(hello_init);
当加载驱动到内核的时候,这个初始化函数就会被自动执行。
初始化函数顾名思义是用来初始化模块的,常用的功能是通过register_chrdev来注册函数。内核分配了一块内存(数组)专门用来存放字符设备的函数集,register_chrdev函数会在这个数组的HELLO_MAJOR位置将hello_flops中的内容进行填充,也就是将HelloModule的功能函数地址注册到设备管理内存集中。
形象的比喻好像是操作系统提供了很多的衣服架,注册设备就好像是把一个衣服挂到某一个衣服架上。衣服上有许多口袋,就好像每一个模块有许多功能程序接口。显然,如果想使用设备的某个功能,就可以先找到对应的衣服架,然后找到相应的口袋,去调用对应的函数,执行动作。
3、退出函数
static void __exit hello_exit(void){ unregister_chrdev(HELLO_MAJOR, DEVICE_NAME); printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " removed.\n"); } module_exit(hello_exit);
当卸载驱动的时候,退出函数便会自动执行,完成一些列清楚工作。
在加载驱动的时候,我们向设备管理内存集中注册了该模块的相关功能函数。当卸载驱动的时候,就有必要将这个模块占用的内存空间清空。这样当其他的设备注册的时候便有更多的空间可以选择。
形象的比喻是, 当卸载驱动的时候,就是把衣服从衣服架上取下来,这样衣服架就腾空了。
4、版权信息
MODULE_LICENSE("GPL");
Linux内核是按照GPL发布的,同样Linux的驱动程序也要提供版权信息,否则当加载到内核中系统会给出警告信息。
5、功能函数
static int hello_open(struct inode *inode, struct file *file){ printk(KERN_EMERG "hello open.\n"); return 0; } static int hello_write(struct file *file, const char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos){ printk(KERN_EMERG "hello write.\n"); return 0; } static struct file_operations hello_flops = { .owner = THIS_MODULE, .open = hello_open, .write = hello_write, };
功能函数虽然不是一个驱动模板所必须的,但是一个有实际意义的驱动程序一定包含功能函数。功能函数实际上定义了这个驱动程序为用户提供了哪些功能,也就是用户可以对一个硬件设备可以进行哪些操作。 常见的功能函数有xxx_open()、xxx_write()、xxx_read()、xxx_ioctl()、xxx_llseek()等。当上层应用调用open()、write()、read()、ioctl()、llseek()等这些函数的时候,经过层层调用最后到达底层,调用相应的功能函数。结构体file_operations中的成员定义了很多函数,实际应用可以只对其部分成员赋值,其定义如下。
struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); int (*check_flags)(int); int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int); int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **); };
四、从上层应用到底层驱动的执行过程
1、Linux系统的分层结构
Linux系统的分层结构为:应用层 ----> 库 ----> 内核 ----> 驱动程序 ----> 硬件设备。
2、从上层应用到底层驱动的执行过程
以“open("/dev/hellodev", O_RDWR)”函数的执行过程为例来说明。
(1)应用程序使用库提供的open函数打开代表hellodev的设备文件。
(2)库根据open函数传入的参数执行swi指令,这条指令会引起CPU异常,从而进入内核。
(3)内核的异常处理函数根据这些参数找到相应的驱动程序。
(4)执行相应的驱动程序。
(5)返回一个文件句柄给库,进而返回给应用程序。
3、驱动程序的执行特点
与应用程序不同,驱动程序从不主动运行,它是被动的:根据应用程序的要求进行初始化,根据应用程序的要求进行读写。驱动程序加载进内核,只是告诉内核“我在这里,我能做这些工作”,至于这些工作何时开始,则取决于应用程序。
驱动程序运行于“内核空间”,它是系统“信任”的一部分,驱动程序的错误有可能导致整个系统的崩溃。
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